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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf eine optische Sensoranordnung
zum Detektieren des Vorhandenseins einer Flamme in einem Gasturbinentriebwerk.
Insbesondere ist die Erfindung auf einen Photodioden-Flammensensor
gerichtet, der eine variable Empfindlichkeit und eine vereinfachte
Signalkonditionierungsschaltung aufweist.
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Ein
Standardverfahren zur Erkennung des Vorhandenseins einer Flamme
in einem Gasturbinentriebwerk besteht darin, eine lichtaktivierte
oder photosensitive Röhre,
wie z.B. eine Geiger-Müller-Gasentladungsröhre, zu
verwenden. Solche Detektoren auf Röhrenbasis enthalten typischerweise eine
Photoröhre,
die eine licht- bzw. photonendurchlässige Kathode und eine Anode
zum Sammeln der von der Kathode emittierten Elektronen aufweist.
Die Röhren
sind mit einem Gas bei einem niedrigen Druck gefüllt, das durch beschleunigte
Elektronen ionisiert wird. Zwischen der Kathode und der Anode wird
typischerweise ein hohes Spannungspotential, z.B. 200-300 Volt,
angelegt und aufrechterhalten, so dass bei dem Vorhandensein einer
Flamme oder von Licht, die bzw. das eine Wellenlänge aussendet, für die die
Röhre empfindlich
ist, Photonen eines gegebenen Energieniveaus die Kathode beleuchten
und die Auslösung
und Beschleunigung von Elektronen hervorrufen werden, wodurch das
Gas ionisiert wird.
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Geiger-Müller-Gasentladungsröhren weisen ein
spektrales Empfindlichkeitsmaximum bei etwa 200 nm auf. Emissionen
bei dieser Wellenlänge
veranlassen das Gas in der Röhre
wie oben beschrieben zur Ionisation, wodurch ein momentaner Stromimpuls
in der Energieversorgung hervorgerufen wird. Die Frequenz dieser
Impulse ist bei niedrigen Lichtniveaus zur Ultraviolettintensität proportional.
Bei höheren
Niveaus gerät
das Ausgabesignal bei einer Frequenz, die durch die Quenchingzeit
des Gases bestimmt ist, in Sättigung.
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Mit
dem Aufkommen von Niedrigemissionsgasturbinen hat sich gezeigt,
dass Röhren
in gewisser Hinsicht unzuverlässig
sind. Die Niedrigemissionsturbinen verwenden verschiedene Verfahren,
die Dampfinjektion, Wassereinspritzung und vorgemischten Treibstoff
einschließen,
zur Verringerung der Emissionen. Alle diese die Emissionen verringernden
Verfahren neigen zur Absorption ultravioletter Strahlung, wodurch
sie das Signal für
die Röhre verringern.
Darüber
hinaus ist die Geiger-Müller-Röhre ein
Niederfrequenzgerät,
das eine lange Integrationszeit erfordert, z.B. 125 ms, bevor eine Feststellung,
z.B. über
den Flammenzustand, getroffen werden kann.
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Ein
anderes Verfahren zur Flammenerkennung, speziell zum Detektieren
des Vorhandenseins einer Nachbrennerflamme in erweiterten Gasturbinentriebwerken,
ist in dem US-Patent Nr. 4 510 794 von Couch offenbart. Das System
von Couch basiert auf einer Ionen-/elektrostatischen Sonde, die
durch Messung der Leitfähigkeit
durch das Plasma der Nachbrennerflamme hindurch eine ionische Flammenerkennung
und elektrostatische Triebwerksverschleißüberwachung ermöglicht.
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In
letzter Zeit haben moderne elektronische Systeme mit Halbleiterkomponenten,
wie zum Beispiel Photodioden, veraltete röhrengestützte Hardware ersetzt. Photodioden
sind in Anwendungen zum Messen oder Detektieren des Vorhandenseins
von Licht über
das sichtbare und das ultraviolette Spektrum hinweg verwendet worden.
Ihre geringere Größe, größere Stabilität, erhöhte Zuverlässigkeit
sowie geringere Kosten lassen sie Photoröhren, wie z.B. Geiger-Müller-Gasentladungsröhren, weit überlegen sein.
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US-A-4
039 844 offenbart ein eine Photodiode verwendendes Flammenüberwachungssystem allgemein
in Übereinstimmung
mit den Oberbegriffen der Ansprüche
1 und 5 des vorliegenden Patentes.
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Allgemein
ist eine Photodiode ein pn-Übergang
mit einem zugehörigen
Verarmungsbereich, in dem ein elektrisches Feld durch Photonen erzeugte Elektron-Loch-Paare
trennt, wobei die Bewegung derselben einen messbaren Strom erzeugt.
Wenn elektromagnetische Strahlung einer geeigneten Wellenlänge das
Halbleitermaterial der Photodiode trifft, werden die Elektron-Loch-Paare durch
photoleitende Wirkung erzeugt. Wenn diese Ladungsträger nahe bei
einem pn-Übergang
erzeugt werden, trennt das elektrische Feld der Verarmungszone an
dem Übergang
die Elektronen von den Löchern
in der Art eines normalen pn-Übergangs.
Diese Trennung erzeugt einen Kurzschlussstrom oder eine Leerlaufspannung, was
typischerweise als photovoltaischer Effekt bezeichnet wird. Solche
Photodioden sind von der Art, wie sie in dem US-Patent Nr. 5 093
576 von Edmond und anderen offenbart sind.
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Die
US-Patente Nr. 5 303 684 und 5 257 496, beide von Brown und anderen,
offenbaren ein Verbrennungssteuerungssystem zur Steuerung des Niveaus
von NOx-Emissionen, die in dem Verbrennungsprozess
erzeugt werden, um solche Emissionen zu verringern, während eine
ausreichend hohe Verbrennungsflammentemperatur aufrecht erhalten wird.
Dies wird durch eine Überwachung
der Intensität
von nichtinfraroten Spektrallinien im Zusammenhang mit der Verbrennungsflamme
und anschließend einer dynamischen
Einstellung des Brennstoff/Luft-Verhältnisses der Brennstoffmischung
erreicht. Diese Patente beschreiben in einem allgemeinen Sinne die
Verwendung von Siliziumkarbid (SiC)-Photodioden zur Messung der Lichtintensität in einem
System zur Erzeugung eines Signals, das mit der NOx-Emissionskonzentration
zusammenhängt, zur
Einstellung der Betriebsparameter des Triebwerks.
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Das
US Patent Nr. 5 670 784 von Cusack und anderen offenbart einen optischen
Flammensensor für
einen Hochtemperaturgasstrom zur Flammenerkennung in Gasturbinentriebwerken.
Der Sensor enthält
eine Siliziumkarbid-Photodiode und siliziumkarbidbasierte Verstärkungshardware
zur Erzeugung eines Signals, das für das Vorhandensein einer Flamme
kennzeichnend ist. Die Photodiode und die Verstärkerhardware sind vorzugsweise
in einem Sensorgehäuse
angeordnet. Cusack und andere liefern jedoch keine Offenbarung für Mittel
zur Einstellung der Empfindlichkeit der Photodiodendetektionsschaltung.
Außerdem
ist die zu der offenbarten Sensoranordnung gehörende Verarbeitungsschaltung unnötig komplex.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein verbessertes Flammensensorsystem,
das Unzulänglichkeiten
bekannter Flammenerkennungssysteme überwindet. Die vorliegende
Erfindung schafft einen Flammensensor, der eine dynamische Empfindlichkeitseinstellung
aufweist, wobei die Empfindlichkeit des Flammendetektors durch eine
Veränderung
der Verstärkung
einer Signalkonditionierungsschaltung eingestellt werden kann, die
dem Flammendetektor zugeordnet ist.
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Der
Flammendetektor enthält
eine Photodiode, wie z.B. eine Siliziumkarbid (SiC)-Photodiode, die,
wenn sie elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge in dem
Bereich von etwa 190-400 nm und vorzugsweise innerhalb des ultravioletten Bereiches
ausgesetzt ist, einen zu der Intensität des ultravioletten Lichts,
dem sie ausgesetzt ist, proportionalen Photostrom erzeugt. Das Ausgabesignal
der Photodiode wird durch die Signalkonditionierungsschaltung verarbeitet
und verstärkt,
um ein Signal zu erzeugen, das für
das Vorhandensein einer Flamme kennzeichnend ist. Darüber hinaus
liegt eine Grenzwellenlänge
für Siliziumkarbid-Photodioden vorzugsweise
in dem Bereich von etwa 400 nm, was die Photodiode für möglicherweise
störende Schwarzkörperstrahlung
von den Wänden
der Turbine „blind" macht.
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Zusätzlich weist
der Flammendetektor der vorliegenden Erfindung eine erhöhte Ultraviolettempfindlichkeit
auf, um das Erkennen des Vorhandenseins einer Flamme z.B. durch
einen Nebel aus Dampf, Wasser oder vorgemischtem Treibstoff hindurch
zu ermöglichen
und den Bedarf an hohen Betriebsspannungen zu beseitigen. Weil Siliziumkarbid-Photodioden
keine hohe Spannung zum Betrieb erfordern, schafft die Erfindung
einen Flammendetektor, der zum Betrieb als ein Stromgeber und zum Betrieb
an Gleichspannungsquellen in der Lage ist, die in dem Bereich von
z.B. 12-30 Volt arbeiten.
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Noch
ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist eine signifikante
Verkürzung
der Ansprechzeit des Detektors, die unnötige Turbinenabschaltvorgänge bei
Betriebsartenwechsel und dergleichen vermeidet. Die Antwortzeit
des Flammendetektors ist durch die Kapazität der Photodiode und den Rückkoppelungswiederstand
des Eingangsverstärkers
bestimmt. Dementsprechend werden die Werte der diskreten Komponenten
des Flammendetektors und der zugehörigen Signalkonditionierungsschaltung
ausgewählt,
um Ansprechzeiten in dem Bereich von etwa 25 ms zu erzeugen.
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Diese
und andere Merkmale und ihre begleitenden Vorteile werden durch
die vorliegende Erfindung erreicht, die einen verbesserten Flammendetektor
schafft, der enthält:
eine photoempfindliche Diode, wie z.B. eine Siliziumkarbid-Photodiode,
die darauf anspricht, einer Flamme ausgesetzt zu sein, um einen
Photostrom zu erzeugen, der zu der Intensität der ultravioletten Strahlung
der Flamme proportional ist, und eine Signalkonditionierungsschaltung, die
mit der Siliziumkarbid-Photodiode
verbunden ist, wobei die Signalkonditionierungsschaltung eine Verstärkungsstufe
enthält,
die eine zugehörige
Rückkoppelungsschleife
aufweist, wobei die Empfindlichkeit des Flammendetektors durch Veränderung
der Verstärkung
der Verstärkungsstufe
eingestellt wird. Zusätzlich
enthält
die Signalkonditionierungsschaltung eine Verstärkungsschaltung, die den Photostrom
verstärkt
und ihn in ein Industriestandardstromausgabesignal in dem Bereich
von 4-20 mA umwandelt. Vorzugsweise enthält die vorliegende Erfindung
Mittel zur Einstellung der Empfindlichkeit der des Flammendetektors,
wie z.B. durch Variieren der Verstärkung der Signalkonditionierungsschaltung.
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Die
vorliegende Erfindung schafft auch ein Verfahren zur Bestimmung
des Vorhandenseins einer Flamme in einem Gasturbinentriebwerk durch: Aussetzen
einer Photodiode der OH-Emissionslinie einer Kohlenwasserstoffflamme,
Erzeugen eines Photostroms, der zu der Intensität der ultravioletten Strahlung
proportional ist, die in der Flamme enthalten ist, Verstärken des
von der Photodiode ausgegebenen Photostroms und Bestimmen des Vorhandenseins
einer Flamme gestützt
auf den von der Photodiode ausgegebenen Photostrom. Vorzugsweise enthält die vorliegende
Erfindung einen Schritt des Einstellens der Empfindlichkeit des
Flammendetektors, wie z.B. durch Verändern der Verstärkung der Signalkonditionierungsschaltung.
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Die
vorliegende Erfindung wird hierin mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen
im Detail beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente
bezeichnen und in denen:
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1 eine
schematische Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Flammendetektors
und der Signalkonditionierungsschaltung der vorliegenden Erfindung
zeigt,
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2 einen
grafischen Vergleich der Ausgaben einer Gasentladungsröhre gegenüber einer
Siliziumkarbid-Photodiode zeigt, wenn diese ultravioletter Strahlung
bei 254 nm ausgesetzt sind, und
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3 einen
grafischen Vergleich der Ausgaben einer Gasentladungsröhre gegenüber einer
Siliziumkarbid-Photodiode zeigt, wenn diese ultravioletter Strahlung
bei 310 nm ausgesetzt sind.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf ein photodiodengestütztes Flammenerkennungssystem
gerichtet, das auf einer Zweidraht-Stromschleife arbeitet, um das
Vorhandensein einer Flamme in Gasturbinentriebwerken zu erkennen.
Sowohl die Energie als auch das Signal werden über ein einziges Paar von Drähten W1,
W2 übertragen.
In einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform, die in 1 dargestellt
ist, ist die Photodiode D4 vorzugsweise eine Siliziumkarbid-Photodiode,
weil Siliziumkarbid-Photodioden eine spektrale Reaktion liefern,
die zu der OH-Emissionslinie einer Kohlenwasserstoffflamme, wie
z.B. der in Gasturbinentriebwerken auftretenden Flamme passt. Darüber hinaus
sind Siliziumkarbid-Photodioden in der Lage, in Umgebungen mit einer
hohen Temperatur zu arbeiten, wo die Temperaturen gewöhnlich bei
250°C liegen.
Natürlich
wird erkannt, dass die Erfindung nicht auf Siliziumkarbid-Pho todioden
beschränkt
ist. Jede beliebige Photodiode, die eine zur Erkennung von Flammen
in einem Gasturbinentriebwerk geeignete spektrale Reaktion liefert
und die notwendige Hitzebeständigkeit aufweist,
kann verwendet werden.
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Nun
im Hinblick auf 1: ein schematisches Diagramm
der Flammendetektionsschaltung 1 gemäß einer bevorzugten beispielhaften
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist gezeigt. Die Photodiode D4 erzeugt
ein Photostrom-Ausgabesignal, das zu der Intensität der ultravioletten
elektromagnetischen Strahlung proportional ist, der sie ausgesetzt
worden ist. Das Ausgabesignal von der Photodiode D4 wird durch einen
Strom/Spannungs-Wandler/Verstärker
U1A verstärkt
und umgewandelt. Die Verstärkung
des Verstärkers
U1A ist durch das Rückkoppelungsnetzwerk
bestimmt, das die Widerstände R3,
R4 und R9 enthält.
Eine automatische Verstärkungssteuerung
des Verstärkers
U1A wird durch einen Nebenschluss des Widerstandes R4 aus der Schaltung
heraus erreicht, wodurch die Verstärkung proportional zu dem neuen
Rückkoppelungswiderstand
(d.h. dem Rückkoppelungsnetzwerk
ohne den Widerstand R4) verringert und der Betrag der Verstärkung der
Signalausgabe von der Photodiode D4 verringert wird. Der Nebenschluss
des Wiederstandes R4 aus dem Rückkoppelungsnetzwerk
heraus tritt auf, wenn die Ausgabe des Verstärkers U1A bis zu dem Punkt
ansteigt, an dem der Transistor Q1 leitend wird. Wenn Q1 leitet,
wird der Widerstand R4 als Nebenschluss bzw. Shunt aus dem Rückkoppelungsnetzwerk
herausgeschaltet, und die Verstärkung
wird durch das neue Rückkoppelungsnetzwerk
verringert.
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Die
Ausgabe des Verstärkers
U1A ist mit dem Verstärker
U1B verbunden, der in Kombination mit dem Transistor Q2 einen Spannung/Strom-Wandler
bildet. Folglich wird die Spannungsausgabe von U1A in eine Stromausgabe
umgewandelt. Der Transistor Q2 regelt den Strom in der Schleife,
so dass er zu dem von dem Verstärker
U1A ausgegebenen Signal proportional ist. Das aus den Widerständen R7, R11
und R12 gebildete Widerstandsnetzwerk schafft eine Vorspannung zum
Festsetzen des Nullstroms auf ein gewünschtes Niveau. Die Energieversorgung der
Schaltung 1 wird durch U2 und die Zenerdiode D3 hergestellt.
Der Energieversorgungsstrom wird durch den Erfassungswiderstand
R2 geleitet und ist in dem Schleifenstrom enthalten.
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In
einer alternativen beispielhaften Ausführungsform kann die aus den
Transistoren Q1, Q3 und Q4 und den Widerständen R5 und R10 gebildete Knickkennlinienschaltung
entfernt werden. Das Entfernen der Knickkennlinienschaltung würde die
automatische Verstärkungsänderung
beseitigen und eine lineare Ausgabe über den gesamten Betriebsbereich hinweg
ergeben.
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Im
Betrieb wird die Flammendetektionsschaltung 1 der vorliegenden
Erfindung, z.B. für
die OH-Emissionslinie einer Kohlenwasserstoffflamme eines Gasturbinentriebwerks
(nicht gezeigt), platziert. Fachleuten wird klar, dass ein geeignetes
Gehäuse
und Fenster für
die Detektionsschaltung 1 erforderlich sind, um sie in
Betrieb zu versetzen, und dass solche Gehäuse und Fenster Fachleuten
bekannt sind. Darstellende Beispiele für Gasturbinentriebwerke und
Sensoranordnungen sind in den US-Patenten Nr. 5 303 684 und 5 093
576 gezeigt. Vorzugsweise wird eine Siliziumkarbid-Photodiode verwendet,
die ein Empfindlichkeitsmaximum bei 270 nm mit einer breiten Antwortkurve
aufweist, die das 310 nm-Maximum der Kohlenwasserstoffflamme abdeckt,
wie es in den 2 und 3 gezeigt
ist. Eine typische Grenzwellenlänge
für Siliziumkarbid-Photodioden
beträgt
etwa 400 nm.
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Nachdem
die Photodiode D4 der OH-Emissionslinie ausge setzt worden ist, erzeugt
die Photodiode D4 einen Photostrom, der zu der Intensität der ultravioletten
Strahlung der Flamme proportional ist. Wenn keine Flamme vorhanden
ist oder die Flamme inakzeptabel schwach ist, wird der von der Photodiode
D4 ausgegebene Photostrom gering oder Null sein. Folglich wird ein
Flammenerlöschungszustand erkannt.
Wenn eine Flamme vorhanden ist, wird der von der Photodiode D4 ausgegebene
Photostrom an einen Strom/Spannungs-Wandler/Verstärker U1A übertragen.
Der Verstärker
U1A wandelt den Photostrom in eine Spannung um. Die Verstärkung von U1A
ist durch das Rückkoppelungsnetzwerk
R3, R4, R9 bestimmt. Die Verstärkung
kann durch die Knickkennlinienschaltung Q1, Q3, Q4, R10, R5 automatisch
gesteuert werden, die bewirkt, dass der Widerstand R4 aus der Rückkoppelungsschleife
heraus in einen Nebenschluss geschaltet wird, wenn die Ausgabespannung
des Verstärkers
U1A hoch genug ist, um Q1 leitend werden zu lassen.
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Die
Spannungsausgabe von U1A wird danach dem Spannungs/Strom-Wandler
U1B, Q2 zugeführt.
Q2 regelt den Strom in der Schleife so, dass er zu der von U1A ausgegebenen
Spannung proportional ist. Die Widerstandswerte des Widerstandsnetzwerks
R7, R11, R12 werden ausgewählt,
um sicherzustellen, dass das verstärkte Signal von der Photodiode
D4 in einen Industriestandard von 4-20 mA umgewandelt wird. Die
Empfindlichkeit der Photodiode D4 kann durch die Verstärkung der
Verstärkerstufe U1A
gesteuert werden. Die Empfindlichkeit wird erhöht, indem die Verstärkung erhöht wird.
Mit anderen Worten kann ein kleinerer Ausgabephotostrom verwendet
werden, um die ultraviolette Strahlung zu detektieren. Andererseits
wird die Empfindlichkeit der Photodiode D4 verringert, indem die
Verstärkung
der Verstärkerstufe
U1A verringert wird. Durch eine Verringerung der Verstärkung ist
ein größeres Ausgabesignal
von der Photodiode D4 zur Flammenerkennung erforderlich. Wie in 2 gezeigt
wird die Verstärkung
automatisch verringert, wenn die Spannungsausgabe von dem Verstärker U1A
ein vorbestimmtes hohes Niveau erreicht . Dies zeigt an, dass die
Photodiode D4 eine ausreichende Empfindlichkeit zum Betrieb mit
einer geringeren Verstärkung aufweist.
Folglich wird die Empfindlichkeit des Flammendetektors verringert.
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Nun
im Hinblick auf die 2 und 3: die bevorzugte
Photoantwort der Photodiode D4 ist im Vergleich zu einer Photoröhre, wie
z.B. einer Geiger-Müller-Gasentladungsröhre gezeigt.
Die Photodiode weist eine spektrale Reaktion auf, die breit ist und
das 310 nm-Maximum der Kohlenwasserstoffflamme abdeckt. Dies ist
insbesondere wichtig, weil die Absorption durch injizierten Dampf,
Wasser oder vorgemischten Brennstoff bei 310 nm geringer ist als bei
200 nm. Es ist auch vorzuziehen, eine Photodiode zu schaffen, die
eine Grenze bei etwa 400 nm aufweist, wodurch die Photodiode gegenüber möglicher störender Schwarzkörperstrahlung
von den Turbinenwänden „blind" gemacht wird.
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Die
oben beschriebene Flammenerkennungsschaltung 1 bietet eine
erhöhte
Ultraviolettempfindlichkeit, die das Vorhandensein einer Flamme
durch einen Nebel aus Dampf, Wasser oder vorgemischtem Brennstoff
hindurch erkennt und die Notwendigkeit eines Hochspannungsbetriebs
beseitigt. Zusätzlich
schafft die Flammenerkennungsschaltung der vorliegenden Erfindung
relativ schnelle Ansprechzeiten, z.B. in dem Bereich von etwa 25
Millisekunden, wodurch unnötige
Turbinenabschaltvorgänge
bei Betriebsartänderungen
vermieden werden.